CH667311A5

CH667311A5 - Steuerungseinrichtung fuer die zu- und abschaltung mindestens eines abgasturboladers.

Info

Publication number: CH667311A5
Application number: CH1511/84A
Authority: CH
Inventors: Herbert Deutschmann; Gerd-Michael Dr-Ing Wolters
Original assignee: Mtu Friedrichshafen Gmbh
Priority date: 1983-09-30
Filing date: 1984-03-26
Publication date: 1988-09-30
Also published as: IT8421174A1; FR2552818A1; GB2147435B; ES531968A0; IT8421174A0; US4616480A; IT1174123B; DE3335471A1; GB2147435A; JPS6081424A; FR2552818B1; JPH0214528B2; ES8501844A1; DE3335471C2; GB8420164D0

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Steuerungseinrichtung für die Zu- und Abschaltung mindestens eines Abgasturboladers einer Kolbenbrennkraftmaschine, die ein Arbeitsmittel zum Betätigen der Absperreinrichtungen der Abgas- und Ladeluftleitung des Abgasturboladers steuert und der als Steuergrösse der Ladeluftdruck der Kolbenbrennkraftmaschine über eine Steuerleitung zugeführt wird.

Das Abschalten von Abgasturboladers wird bei Kolbenbrennkraftmaschinen zur Erhöhung von Ladeluftdruck und Ladeluftmenge bei gegenüber dem Vollastbetrieb vermindertem Anfall von Abgasenergie, also im Teillast- und Teil-drenzahlbereich der Kolbenbrennkraftmaschine durchgeführt. Dabei arbeitet bei geringem Abgasenergieanfall nur ein Abgasturbolader, dem bei Zunahme der Leistung der Kolbenbrennkraftmaschine nach und nach ein oder mehrere Abgasturbolader parallel dazugeschaltet werden, bis schliesslich bei Vollastbetrieb alle vorhandenen Abgasturbolader zusammenarbeiten. Der damit erzielbare Ladeluftdruck weist für jede eingeschaltete Abgasturbolader-Kombi-nation über der Leistung oder der Drehzahl aufgetragen einen sägezahn-ähnlichen Verlauf auf : Beim Einschalten des zusätzlichen Abgasturbolader tritt zunächst ein Abfall des Ladeluftdruckes, verursacht durch den Abfall des Abgasdruckes aufgrund der Öffnung der Abgas-Absperreinrich-tung des zuzuschaltenden Laders ein. Danach steigt der Ladeluftdruck mit zunehmender Leistung an, bis beim Zuschalten des nächsten Laders erneut ein Einbruch erfolgt.

Um nach einer Schaltung die sofortige Zurückschaltung in den Zustand vor dieser Schaltung, die sich aufgrund des vorbeschriebenen Verlaufs des Ladeluftdruckes zwangsweise ergeben würde, zu vermeiden, ist eine Steuerung bekannt geworden (DE-PS 3 212 498), bei der ein zweiter Steuerdruck in geeigneterWeise auf den Schieber des Steuerschalters einwirkt.

Nachteilig hat sich dabei das Auftreten von starken Ladeluftdruckschwankungen im Anschluss an eine Schaltung herausgestellt, die, ebenfalls zum Vermeiden von Zurückschaltungen in den Zustand vor der Schaltung, die Anordnung einer grossen Schalthysterese erforderlich macht. Diese grosse Schalthysterese erfordert eine Ausweitung der Ladergruppen-Betriebsbereiche, die bei längerem Betrieb in der Nähe des Schaltpunktes mit weniger Ladern die Gefahr einer Überhitzung dieser Lader bzw. mit mehr Ladern das Auftreten von Ladeluftmangel und schlechtem Verbrennungsablauf mit sich bringt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Auswirkungen der Ladeluftdruckschwankungen am Ende eines Schaltvorganges auf das Schaltverhalten der Steuerungseinrichtung zu verhindern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass nach jeder Zu-oder Abschaltung des Abgasturboladers die Steuerleitung mit einem Absperrventil abgesperrt und nach Ablauf einer vorbestimmbaren Zeit wieder freigegeben wird.

Durch diese Massnahme kann die Steuerungseinrichtung den Einflüssen der Ladeluftdruckschwankungen in einfacher Weise wirkungsvoll entzogen werden, ohne dass anderweitige Nachteile hierdurch in Kauf genommen werden müssen. Die Grösse der Hysterese kann auf das zur Vermeidung von Pendelungen beim Schalten notwendige Mass beschränkt werden.

Ein einfaches und funktionssicheres Verfahren zum Betrieb der Steuerungseinrichtung besteht darin, dass ein in einem Gehäuse angeordneter Kolben des Absperrventils in seiner durch Federkraft bestimmten Ruhelage die Steuerleitung für den Durchgang der Ladeluft offenhält, in seinen beiden Endlagen jedoch die Steuerleitung absperrt, dass die erste Stirnseite des Kolbens von einem in einem ersten stirnseitigen Druckraum wirkenden Betätigungsdruck direkt beaufschlagt wird, dass der erste stirnseitige Druckraum mit einem zweiten, der zweiten Stirnseite des Kolbens zugeordneten Druckraum über eine erste, in einer ersten Verbindungsleitung angeordneten Drossel verbunden ist und dass dem zweiten Druckraum ein Ausgleichsraum zugeordnet ist.

Dadurch wird der Kolben bei einer Änderung des auf seine erste Stirnseite einwirkenden Betätigungsdruckes verschoben und sperrt dadurch die Steuerleitung solange ab, bis sich der auf die zweite Stirnseite wirkende Betätigungsdruck durch die Drossel verzögert an das veränderte Druckniveau angepasst hat. Durch Ändern des Drosseldurchmessers und des Volumens des Ausgleichsraumes kann die Dauer der Sperrzeit der Steuerleitung, durch Änderung der Federstei-figkeit und des Steuerkolbendurchmessers kann die Ansprech-Steilheit der Druckänderung in weiten Grenzen eingestellt und den Erfordernissen angepasst werden.

Ein eindeutiges Signal für die Absperrung kann dadurch erhalten werden, dass auf das Absperrventil (42) als Betätigungsdruck der Druck des Arbeitsmittels zur Betätigung der Absperreinrichtungen des Abgasturboladers einwirkt. Da dieser Druck bei jeder Zu- oder Abschaltung seine Höhe stark ändert, stellt er ein genaues Signal für den Beginn der Absperrung dar.

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Es ist jedoch auch möglich, dass auf das Absperrventil (42) als Betätigungsdruck der Ladeluftdruck der Kolbenbrennkraftmaschine einwirkt. Da bei jedem Schaltvorgang ein steiler Anstieg des Ladeluftdruckes (beim Abschalten) bzw. ein steiler Abfall des Ladeluftdruckes (beim Zuschalten eines Laders) eintritt, ist die Steuerleitung jeweils beim Auftreten der Druckschwankungen am Ende der Schaltung abgesperrt.

Wenn das Absperrventil vom Ladeluftdruck beeinflusst wird, ist es auch den normalen Ladeluftdruckveränderungen, z.B. bei einem Beschleunigungsvorgang der Brennkraftmaschine oder bei einer starken Leistungsminderung, ausgesetzt. Eine daraus resultierende Absperrung der Steuerleitung muss vermieden oder umgangen werden, da sonst die Schaltung nicht beim Erreichen des vorgesehenen Ladeluftdruckes ausgelöst wird. Dies kann man dadurch erreichen, dass der Kolben des Absperrventiles in seiner Mittelstellung eine weitere, von einer Drossel steuerbare Verbindung zwischen seinen beiden stirnseitigen Druckräumen offenhält. Diese Verbindung schliesst kleine Druckschwankungen kurz, wird jedoch bei grossen Drucksprüngen, die den Kolben des Absperrventiles aus seiner Mittellage verschieben, unterbrochen und damit unwirksam gemacht.

Schliesslich kann bei den vorbeschriebenen Zuständen die Schaltung bei geschlossenem Absperrventil durch ein das Absperrventil umgehendes Bypassventil ermöglicht werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit insgesamt drei Abgasturboladern, von denen zwei in Abhängigkeit von der Höhe des Ladeluftdruckes zu- bzw. abgeschaltet werden, im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 den Verlauf des Ladeluftdruckes über der Leistung der Brennkraftmaschine aufgetragen;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsge-mässen Steuerungseinrichtung für die Schaltung eines Abgasturboladers mit Ladeluftdruck als Steuerdruck und Druckluft als Betätigungsdruck;

Fig. 3 eine erfindungsgemässe Steuerungseinrichtung mit Ladeluftdruck als Steuer- und Betätigungsdruck;

Fig. 4 eine erfindungsgemässe Steuerungseinrichtung mit Absperrung der Steuerleitung durch die schaltungsbedingten Schwankungen des Ladeluftdruckes.

In Fig. 1 stellt ein Kurventeilstück 11 den Verlauf des Ladeluftdruckes im unteren Leistungsbereich dar, wenn der erste, dauernd im Betrieb befindliche Abgasturbolader allein vom gesamten Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird.

Im mittleren Leistungsbereich wird durch Parallel-Betrieb des ersten Abgasturboladers mit einem zugeschalteten zweiten Abgasturbolader ein Ladeluftdruck entsprechend dem Kurventeilstück 12 erzielt.

Im oberen Leistungsbereich ergibt sich durch den Einsatz aller drei Abgasturbolader ein Ladeluftdruckverlauf entsprechend einem Kurventeilstück 13.

Bei zunehmender Leistung der Kolbenbrennkraftmaschine steigt der Ladeluftdruck bei Betrieb mit dem ersten Abgasturbolader entsprechend dem Kurventeilstück 11 an. Bei Erreichen eines Ladeluftdruckes 16, der sich bei einer Leistung 19 ergibt, wird der zweite Abgasturbolader durch Öffnen seiner Abgas- und Ladeluft-Absperreinrichtungen zugeschaltet. Dadurch fällt der Ladeluftdruck auf das Kurventeilstück 12 ab. Durch den Zuschaltvorgang ergeben sich Schwingungen 22 des Ladeluftdruckes.

Bei zunehmender Leistung steigt der Ladeluftdruck entsprechend dem Kurventeilstück 12 an. Bei Erreichen des Ladeluftdruckes 17, der sich bei einer Leistung 21 ergibt,

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wird der dritte Abgasturbolader durch Öffnen seiner Abgas-und Ladeluft-Absperreinrichtungen zugeschaltet. Dadurch fällt der Ladeluftdruck auf das Kurventeilstück 13 ab. Durch den Zuschaltvorgang ergeben sich Schwingungen 23 des Ladeluftdruckes.

Bei weiter zunehmender Leistung steigt der Ladeluftdruck entsprechend dem Kurventeilstück 13 an.

Ausgehend von der maximalen Leistung sinkt der Ladeluftdruck bei abnehmender Leistung entsprechend dem Kurventeilstück 13 ab. Bei Erreichen eines Ladeluftdruckes 15, der sich bei einer Leistung 20 ergibt, wird der dritte Abgasturbolader durch Schliessen seiner Abgas- und Ladeluft-Absperreinrichtungen abgeschaltet. Dadurch steigt der Lade-luftdruck auf das Kurventeilstück 12 an. Durch den Abschaltvorgang ergeben sich Schwingungen 24 des Ladeluftdruckes.

Bei weiter abnehmender Leistung sinkt der Ladeluftdruck entsprechend dem Kurventeilstück 12 ab. Bei Erreichen eines Ladeluftdruckes 14, der sich bei einer Leistung 18 ergibt, wird der zweite Abgasturbolader durch Schliessen seiner Abgas- und Ladeluft-Absperreinrichtung abgeschaltet. Dadurch steigt der Ladeluftdruck auf das Kurventeilstück 11 an. Durch den Abschaltvorgang ergeben sich Schwingungen 25 des Ladeluftdruckes. Bei weiter abnehmender Leistung sinkt der Ladeluftdruck entsprechend dem Kurventeilstück 11 ab.

Um Schaltpendelungen zu vermeiden, ist zwischen der Leistung 19 für das Zuschalten und der Leistung 18 für das Abschalten des zweiten Abgasturboladers eine Hysterese 26 und zwischen der Leistung 21 für das Zuschalten und der Leistung 20 für das Abschalten des dritten Abgasturboladers eine Hysterese 27 angeordnet.

Diese Hysterese-Werte reichen jedoch nicht aus, um Schaltpendelungen aufgrund der Schwingungen 22 bis 25 zu vermeiden. So überschreitet zum Beispiel der Ladeluftdruck, den die Ausschläge 28 der Schwingung 24 beim Abschalten des dritten Abgasturboladers bei sinkender Leistung erreichen, den Ladeluftdruck 17, bei dem bei steigender Leistung ein Zuschalten eingeleitet wird. Um die Wiederzu-schaltung zu vermeiden, müsste die Hysterese 27 so vergrös-sert werden, dass die grössten positiven Ausschläge 28 der Schwingung 24 unter dem Ladeluftdruck 17 und die grössten negativen Ausschläge 29 der Schwingung 23 über dem Lade-luftdruck 15 zu liegen kommen. Eine solche Vergrösserung der Hysterese ist aus den in der Einleitung genannten Gründen nicht zulässig.

Um ein Zurückschalten der Steuerung in den Zustand vor einer Schaltung aufgrund der Schwingungen 22 bis 25 zu vermeiden, wird durch die vorgeschlagenen Massnahmen der Erfindung während einer Schaltung vorübergehend die zu der Steuerungseinrichtung führende Steuerleitung mit Hilfe eines Absperrventils abgesperrt, so dass sich die Schwingungen nicht auf die Steuerungseinrichtung auswirken können. Dadurch ergeben sich die in unterbrochener Linie dargestellten Abweichungen 30 bis 33 des Verlaufes des Steuerdruckes gegenüber dem Ladeluftdruck.

In den folgenden Figuren ist jeweils beispielsweise die Steuerungseinrichtung für das Zu- und Abschalten des zweiten Abgasturboladers, und zwar in der abgeschalteten Stellung, dargestellt.

Die Steuerungseinrichtung in Fig. 2 weist zwei Steuerschieber 40 und 41, ein Absperrventil 42 und ein Relaisventil 43 auf. Der Ladeluftdruck wirkt über eine Steuerleitung 44 auf den Steuerschieber 40 und steht über eine Leitung 45 am Steuerschieber 40 und über eine Leitung 46 am Steuerschieber 41 an. Die beiden Steuerschieber 40 und 41 sind über eine Leitung 47, der Steuerschieber 41 und das Relaisventil 43 über eine Betätigungsleitung 48 miteinander ver3

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bunden. In einer Leitung 49 steht Druckluft am Relaisventil 43 an und wird zum Betätigen der Abgas- und Ladeluftklappen des Abgasturboladers in eine Betätigungsleitung 50 oder 51 gesteuert. Die Betätigungsleitung 51 ist mit dem Absperrventil 42 über eine Leitung 52 verbunden. Auf der anderen Seite des Absperrventils 42 ist ein Ausgleichsraum 53 angeordnet.

Wirkungsweise:

Beim Ansteigen des Ladeluftdruckes entlang dem Kurventeilstück 11 in Fig. 1 werden beim Erreichen des Ladeluftdruckes 16 die Kolben des Steuerschiebers 40 entgegen der Federkraft so weit verschoben, dass Leitung 45 mit Leitung 47 verbunden wird. Dadurch werden auch die Kolben des Steuerschiebers 41, der bei sonst gleichen Abmessungen eine schwächere Feder als der Steuerschieber 40 aufweist, in ihre andere Endlage verschoben, so dass Leitung 46 mit Betätigungsleitung 48 verbunden wird. Durch den Druck in Betätigungsleitung 48 wird auch der Kolben des Relaisventils 43 in seine andere Endlage verschoben und die Leitung 49 mit der Betätigungsleitung 51 verbunden. Dadurch werden die Abgas- und Ladeluft-Absperreinrichtungen des Abgasturboladers in nicht dargestellter Weise geöffnet und der Abgasturbolader ist damit zugeschaltet.

Zur Eliminierung der dabei auftretenden Schwingungen 22 (Fig. 1 ) wird die Steuerleitung 44 mit Hilfe des Absperrventils 42 wie folgt abgesperrt: Durch den Druckanstieg in der Betätigungsleitung 51 und in der mit ihr verbundenen Leitung 52 wird der Kolben des Absperrventils 42 aus seiner Mittellage verschoben und damit die Steuerleitung 44 unterbrochen. Diese Verlagerung des Kolbens wird durch den über eine Drossel 54 stattfindenden Druckausgleich wieder rückgängig gemacht. Die Dauer der Unterbrechung kann durch die Abmessungen der Drossel des Ausgleichsraumes 53 vorbestimmt bzw. beeinflusst werden.

Obwohl nach der Schaltung der Ladeluftdruck stark abfällt, schaltet die Steuerung nach Freigabe der Steuerleitung 44 durch das Absperrventil 42 nicht wieder in den Zustand vor der Schaltung zurück, weil jetzt der Ladeluftdruck in beiden Steuerschiebern 40 und 41 auf eine grössere Kolbenfläche einwirkt.

Bei abnehmendem Ladeluftdruck entlang dem Kurventeilstück 12 (Fig. 1) werden bei Erreichen des Ladeluftdruckes 14 die Kolben des Steuerschiebers 41 durch Federkraft wieder in die gezeichnete Stellung verschoben. (Die Kolben des Steuerschiebers 40 erreichen diese Stellung schon etwas früher, weil die Feder dieses Steuerschiebers stärker ist, dadurch wird jedoch die Abschaltung noch nicht bewirkt.) Nun wird die

Betätigungsleitung 48 entlastet und der Kolben des Relaisventils 43 durch Federkraft ebenfalls in die gezeichnete Stellung bewegt. Dadurch wird die Betätigungsleitung 50 mit Druckluft aus der Leitung 49 beaufschlagt und die Abgas-5 und Ladeluft-Absperreinrichtungen des Abgasturboladers geschlossen. Betätigungsleitung 51 und Leitung 52 werden entlastet und dadurch der Kolben des Absperrventils 42 in ähnlicher Weise wie vorher, nur in der anderen Richtung, vorübergehend aus dem Gleichgewicht gebracht und die io Steuerleitung 44 so lange gesperrt, bis die Schwingungen 25 abgeklungen sind.

In Fig. 3 und 4 weisen Teile, die die gleiche Funktion erfüllen wie in Fig. 2, auch die gleiche Bezeichnung auf. In beiden Fällen werden die Abgas- und Ladeluft-Absperrein-i5 richtungen des zu schaltenden Abgasturboladers mit Ladeluft, gesteuert vom Steuerschieber 41 über die Betätigungsleitung 48, betätigt. Im übrigen laufen die Schaltungen wie in Fig. 2 beschrieben ab.

Da das Absperrventil 42 in Fig. 3 und 4 vom Ladeluftdruck 20 gesteuert wird, und dieser Ladeluftdruck sich kurzfristig stark ändern kann, spricht auch hierbei das Absperrventil 42 an und sperrt die Steuerleitung 44. Wird dabei gerade ein Schaltpunkt überfahren, so könnte die Schaltung nicht stattfinden.

25 In Fig. 3 wird dieses dadurch vermieden, dass eine weitere Verbindungsleitung 60, die zwischen den beiden Stirnräumen des Absperrventils 42 angeordnet und von einer Drossel 61 steuerbar ist, vom Kolben in seiner Mittelstellung offengehalten wird. Hierdurch werden diese Ladeluftdruck-30 Schwankungen kurzgeschlossen und können eine Absperrung nicht hervorrufen. Bei grossen Druckänderungen, wie sie der Betätigungsdruck in der Betätigungsleitung 48 und in der damit verbundenen Leitung 52 aufweist, spricht jedoch das Absperrventil 42 an und sperrt die Steuerleitung 44. 35 Dadurch ist auch die Verbindungsleitung 60 gesperrt und unwirksam.

In Fig. 4 wird die Schaltung durch ein Bypassventil 65 eingeleitet, wenn das Absperrventil 42 die Steuerleitung 44 bei grosser Beschleunigung oder Verzögerung absperrt und der 40 Ladeluftdruck 16 für die Zuschaltung bzw. 14 für die Abschaltung erreicht wird. Damit das Absperrventil 42 bei langsamer Beschleunigung seine Regelfunktion erfüllen kann, wird der Schaltpunkt für das Zuschalten mit Bypassventil 65 bei etwas höherem Ladeluftdruck, der Schaltpunkt 45 für das Abschalten bei etwas niedrigerem Ladeluftdruck festgelegt. Da diese Punkte nur kurzfristig durchfahren werden, ist dies mit Rücksicht auf Abgastemperatur, Rauch im Abgas und Spitzendrücke im Zylinder zulässig.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Steuerungseinrichtung für die Zu- und Abschaltung mindestens eines Abgasturboladers einer Kolbenbrennkraftmaschine, die ein Arbeitsmittel zum Betätigen der Absperreinrichtung der Abgas- und Ladeluftleitung eines Abgasturboladers steuert und der als Steuergrösse der Ladeluftdruck der Kolbenbrennkraftmaschine über eine Steuerleitung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach jeder Zu-oder Abschaltung des Abgasturboladers die Steuerleitung (44) mit einem Absperrventil (42) abgesperrt und nach Ablauf einer vorbestimmbaren Zeit wieder freigegeben wird.

2. Verfahren zum Betrieb der Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einem Gehäuse des Absperrventils (42) angeordneter Kolben in seiner durch Federkraft bestimmten Ruhelage die Steuerleitung (44) für den Durchgang der Ladeluft offenhält, in seinen beiden Endlagen jedoch die Steuerleitung (44) absperrt, dass die erste Stirnseite des Kolbens von einem in einem ersten stirnseitigen Druckraum wirkenden Betätigungsdruck direkt beaufschlagt wird, dass der erste stirnseitige Druckraum mit einem zweiten, der zweiten Stirnseite des Kolbens zugeordneten Druckraum über eine erste, in einer ersten Verbindungsleitung angeordneten Drossel (54) verbunden ist und dass dem zweiten Druckraum ein Ausgleichsraum (53) zugeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Absperrventil (42) als Betätigungsdruck der Druck des Arbeitsmittels zur Betätigung der Absperreinrichtung des Abgasturboladers einwirkt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Absperrventil (42) als Betätigungsdruck der Ladeluftdruck der Kolbenbrennkraftmaschine einwirkt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben des Absperrventils (42) in seiner Mittelstellung eine zweite, von einer zweiten Drossel (61 ) steuerbare Verbindungsleitung (60) zwischen seinen beiden stirnseitigen Druckräumen offenhält.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrventil (42) durch ein Bypassventil (65) umgangen wird.